激光晶體徑向溫度減小方法的發(fā)展現(xiàn)狀研究

李瑞賢　李真真

摘 要 固體激光的熱效應(yīng)一直限制著固體激光器的平均功率水平，熱畸變引起的像差嚴(yán)重破壞了固體激光器的光束質(zhì)量。隨著激光二極管技術(shù)水平的迅速提高和制造工藝的日臻完善，二極管抽運固體激光技術(shù)也取得了長足的進步，二極管泵浦固體激光器中工作物質(zhì)的熱效應(yīng)大為降低。但仍不可避免地存在著熱效應(yīng)的問題。本文主要對固體激光器晶體的徑向溫度分布的減小方法發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢進行了研究。

關(guān)鍵詞 激光晶體 徑向溫度分布 發(fā)展趨勢

中圖分類號：TG156.33 文獻標(biāo)識碼：A

0前言

固體激光器在運轉(zhuǎn)的過程中吸收泵浦光能量，除小部分以激光方式輸出外，大多數(shù)能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊岵⒊练e在激光工作物質(zhì)內(nèi)使其產(chǎn)生溫升，在不斷重復(fù)泵浦和熱傳導(dǎo)作用下，工作物質(zhì)中溫度梯度的存在使原本折射率完全均勻的工作物質(zhì)變?yōu)檎凵渎什痪鶆虻墓ぷ魑镔|(zhì)。由于固體激光器中熱效應(yīng)一直影響著高輸出功率和高光束質(zhì)量，因此，有利于激光工作物質(zhì)散熱是選擇激光器工作物質(zhì)形狀的一種因素。因為激光工作物質(zhì)的熱效應(yīng)嚴(yán)重影響了固體激光器的發(fā)展。所以限制熱梯度的增加和減小溫度梯度對波前影響是獲得高光束質(zhì)量、高功率輸出的關(guān)鍵。因此國外為解決固體激光器的熱效應(yīng)問題做不少工作。

1國內(nèi)外徑向溫度減小方法的發(fā)展現(xiàn)狀

在早期的固體激光器中，工作物質(zhì)通常被加工成圓柱形，這種激光棒目前仍然被國內(nèi)外廣泛使用，但圓柱型的激光棒有很大的徑向溫度梯度，這種溫度梯度是隨激光棒直徑增加而增大。為了更好散熱，減小固體激光器的熱效應(yīng)，人們還把工作物質(zhì)制造為板條形狀、盤片形狀等等。目的是在給定激光材料體積情況下增加冷卻面積，板條形狀激光棒在1972年由美國通用電氣公司申報了美國專利。專利號：NO.3.633.126。

板條形狀有好的散熱條件，但是光學(xué)加工難度很大，而且寬而薄的板條固定技術(shù)也是困難的，同時制造這樣的板條還需要大直徑晶體，生長大直徑晶體的費用很高。1991年，中國專利申請?zhí)枮椋?0205494.5，名稱為：新型激光棒。它是在激光棒柱面上刻槽，改變截面面型，擴大散熱面。但是這種激光棒加工工藝要求高，實現(xiàn)也不容易。

激光二極管陣列（LDA）泵浦同體激光器，因其與燈泵浦同體激光器相比較，具有效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、性能穩(wěn)定等優(yōu)點，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用。然而，隨著抽運功率的提高。激光品體的熱效應(yīng)同樣也非常嚴(yán)重。

近年來，很多人對激光介質(zhì)的熱效應(yīng)進行了研究lJ-嘲。激光二極管的光束是高斯或者近高斯分布，根據(jù)抽運光的特點，以往假設(shè)激光晶體軸向抽運光是均勻分布的已經(jīng)不適用。

由于全固態(tài)激光器的應(yīng)用既要求有高的輸出功率又要求有較高的光束質(zhì)量，為了改善激光晶體熱效應(yīng)對激光光束質(zhì)量的影響。在圓柱形的激光晶體中軸線上穿一個孔，孔的形狀可以根據(jù)激光晶體的形狀而定，形成中空的激光晶體，在激光晶體的中空部分加上強制型冷卻。

2徑向溫度減小方法的發(fā)展現(xiàn)狀

提高冷卻技術(shù)：現(xiàn)有技術(shù)下，激光晶體中心部分沒有加入冷卻，激光棒內(nèi)存在很大的溫度梯度。

提高泵浦技術(shù)：激光二極管陣列（LDA）泵浦同體激光器，因其與燈泵浦同體激光器相比較，具有效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、性能穩(wěn)定等優(yōu)點，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用。然而，隨著抽運功率的提高。激光品體的熱效應(yīng)同樣也非常嚴(yán)重。近年來，很多人對激光介質(zhì)的熱效應(yīng)進行了研究。

3結(jié)論

高功率激光器技術(shù)向著更高功率、更好光束質(zhì)量、更佳大氣傳輸性能、更高能量轉(zhuǎn)換效率、更緊湊簡便的方向發(fā)展。在圓柱狀的激光棒圓周和中心進行冷卻，增大了冷卻面積，減小了沿激光棒徑向的溫度差，因而折射率梯度也減小了，因此：晶體的熱透鏡效應(yīng)得到改善，可以提高激光輸出功率和光束質(zhì)量；光束通過晶體不同位置時經(jīng)歷光學(xué)長度差異減小，可以有效改善光束產(chǎn)生的波前畸變。并且激光棒易于加工和固定。

參考文獻

[1] 于果蕾，黃春霞，孫堯，等.激光二極管端面抽運矩形截面Nd：GdYVO4晶體熱效應(yīng)分析[J].激光與光電子學(xué)進展，2007，44（7）：57-60.

[2] 杜秀蘭，吳峰.固體激光器的燈泵浦和二極管泵浦方式比較[J].應(yīng)用光學(xué)，2004，25（3）：37-40.

[3] J.Eggleston，T.Kane，K.Kuhn，J.Unternahrer，R.Byer et al.The slab geometry laser-part I：theory.IEEE JQE.1984，QE-20（3）：289-301.

[4] T.Kane，J.Eggleston，R.Byer.The slab geometry laser-part II：thermal effects in a finite slab.IEEE JQE.1985，QE-21（8）：1195-1210.

[5] David Welford，David M. Rines，Bradley J.Dinerman et al.Observation of enhanced thermal lensing due to near-Gaussian pump energy deposition in a laser-diode side-pumped Nd：YAG laser.IEEE J.Q.E.1992，28（4）：1075-1080.

[6] 歐群飛.高功率二極管抽運固體激光器的熱效應(yīng)分析[D].成都：四川大學(xué)博士論文，2005：46-63.

[7] Joseph L.Dallas and Robert S.Afzal.Modeling of a diode-side-pumped Nd： YAG laser.Applied Optics.1998，37（12）：2365-2370.

[8] 趙海霞，姜東升，趙鴻，等.二極管側(cè)面泵浦固體激光器熱效應(yīng)研究[J].激光與紅外，2001，31（4）：210-211.